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Verfahren zur kontinuierlichen Messung der einem Feuerraum zugeführten
Brennstoff-Wärmeleistung Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur kontinuierlichen
Messung der einem Feuerraum zugeführten Brennstoff Wärmeleistung.
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Bisher erfolgt die Bestimmung der Brennstoff Wärmeleistung, die einem
Feuerraum zugeführt wird, in sehr unvollkommener Weise durch Messung des Brennstoffverbrauches
und periodische Bestimmung des Heizwertes des Brennstoffes. Insbesondere bei einer
Kohlenstaubfeuerung ist jedoch die Ermittlung des Brennstoffverbrauches umständlich
und ungenau. Bei der nur periodisch erfolgenden Bestimmung des Heizwertes können
im übrigen die oft erheblichen Schwankungen des Heizwertes in der Zwischenzeit nicht
erfaßt werden. Es hängt im übrigen weitgehend vom Zufall ab, ob die zur Bestimmung
des Heizwertes entnommene Brennstoffprobe tatsächlich für die gesamte Brennstoffmenge
repräsentativ ist.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, unter Vermeidung dieser
Mängel ein Verfahren zu entwickeln, das eine genaue und rasche kontinuierliche Messung
der einem Feuerraum zugeführten Brennstoff-Wärmeleistung ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die dem Feuerraum
pro Zeiteinheit zugeführte Verbrennungsluftmenge und der Luftüberschußfaktor in
an sich bekannter Weise gemessen werden und daß anschließend der erste Meßwert mit
dem Kehrwert des zweiten Meßwertes multipliziert wird.
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Das erfindungsgemäße Verfahren nutzt die bekannte Tatsache aus, daß
die bei vollkommener Verbrennung eines beliebigen Brennstoffes entwickelte und auf
die Gewichtseinheit der dabei verbrauchten Verbrennungsluft reduzierte spezifische
Wärmemenge eine praktisch konstante Größe (K) ist, die für alle industriellen Brennstoffe
im Bereich zwischen 710 und 770 kcal/kg liegt. Innerhalb einzelner Brennstoffgruppen
schwankt der Wert von K um nicht mehr als :E 1 bis 2 °/o.
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Das Gewicht der zur vollkommenen Verbrennung eines Brennstoffes erforderlichen
Luftmenge ist daher ein Maß für den Wärmeinhalt dieser Brennstoffmenge. Weiterhin
ist zu berücksichtigen, daß man in Feuerräumen im allgemeinen mit einem gewissen
Luftüberschuß arbeitet. Bezeichnet man mit V die dem Feuerraum pro Zeiteinheit zugeführte
Verbrennungsluftmenge, a den Luftüberschußfaktor, d. h. das Verhältnis der dem Feuerraum
tatsächlich zugeführten Luftmenge zu der für eine vollkommene Verbrennung des Brennstoffes
erforderlichen Luftmenge, K die spezifische Wärmemenge der betreffenden Brennstoffgruppe
in kcal/kg, Q die Wärmeleistung des Brennstoffes, d. h. den pro Zeiteinheit in den
Feuerraum eingeführten Brennstoff Wärmeinhalt in kcal/sec, so läßt sich das erfindungsgemäße
Verfahren durch folgende Gleichung ausdrücken:
Eine zweckmäßige Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, daß zur
Berücksichtigung der unterschiedlichen Zeitdauer der beiden Meßvorgänge der erste
Meßwert vor Multiplikation mit dem Kehrwert des zweiten Meßwertes zunächst während
einer der zeitlichen Differenz beider Meßvorgänge entsprechenden Zeitspanne gespeichert
wird.
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Eine Anlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist
in. der Zeichnung veranschaulicht.
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F i g. 1 zeigt das Gesamtschema und F i g. 2 ein Detail.
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In F i g. 1 ist eine Durchflußmengenmeßanlage 1
angedeutet,
die aus dem eigentlichen Durchflußmengenmesser 3 und einem Wandler 4 besteht,
dessen Signal der Gewichtsmenge der durchströmenden Luft verhältnisgleich ist. Falls
als . Durchflußmesser ein übliches Staugerät verwendet wird., dessen Angabe von
der Temperatur und dem Druck der durchströmenden Luft abhängig ist, -wird zusätzlich
ein
Korrekturglied 5 benutzt, welches das Signal des Wandlers
4 auf den normalen Zustand, z. B. auf 0°C und 760 mm Quecksilbersäule reduziert.
Das Signal aus dem Wandler 4 bzw. das korrigierte Signal aus dem Korrekturglied
5 gelangt in das Speicherglied 22, dessen Bedeutung noch näher erläutert wird. Im
Raum der Feueranlage 7 befindet sich weiter eine Abgasprobenentnahmevorrichtung
9, welche durch eine die Verbrennungsprodukte führende Rohrleitung mit dem Austauscher
12 verbunden ist, durch den auch die mit einem Hahn 11 versehene Rohrleitung
der zusätzlichen Luft 10 hindurchgeht. Die Rohrleitungen der Verbrennungsprodukte
und der zusätzlichen Luft aus dem Austauscher 12 werden gemeinsam in die Mischanlage
13 geführt, aus der die Mischung der Verbrennungsprodukte mit der Luft durch eine
gemeinsame Rohrleitung in einen Verbrennungsofen 14 geleitet wird. Die Abgase des
Verbrennungsofens 14 werden weiter über den Entaschungszyklon 15 und das
Gebläse 16 in den Feuerraum 7 zurückgeführt. Die Auspuffleitung des Gebläses 16
ist vor dem Eingang in den Feuerraum 7 mit einer Abzweigung 17 ausgerüstet, wodurch
ein kleiner Teil der Verbrennungsstoffe in den Sauerstoffanalysator 18 geleitet
wird, von wo dann ein Signal, welches dem Sauerstoffgehalt in den Verbrennungsprodukten
hinter dem Verbrennungsofen 14 entspricht, einem Auswertungsglied 19 zugeführt
wird, welches gleichzeitig ein Signal aus dem Speicherelement 22
erhält. Das
Auswertungsglied 19 sendet endlich ein resultierendes Signal aus, welches
der zugeführten Wärmeleistung des Feuerraumes verhältnisgleich ist. Dieses Signal
wird über eine Einstellungsvorrichtung 20
geführt, die es ermöglicht, notwendige
betriebsmäßige Korrekturen vorzunehmen, z. B. die Einstellung des dem verwendeten
Brennstoff entsprechenden K-Wertes und die Anpassung an weitere Bedingungen der
Feueranlage. Endlich gelangt das so korrigierte Signal an die Anzeige- bzw. Registrierungsvorrichtung
21, an der die der Feueranlage zugeführte Wärmeleistung Q (z. B. in kcal/sec)
unmittelbar abgelesen werden kann.
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Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitet die beschriebene Meßanlage
folgendermaßen: Der Wandler 4 des Durchflußmessers 1, der im Saugrohr
des die Verbrennungsluft fördernden Gebläses 6 angeordnet ist, sendet ein Signal
aus, welches dem Gewicht der sekundlich durchfließenden Verbrennungsluft verhältnisgleich
ist. Dieses Signal wird zu einem Speicherelement 22 geleitet, wo es gespeichert
und nach einer regelbaren Zeitverzögerung weiter unverändert freigegeben wird.
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Der Faktor a des Luftüberschusses und der daraus abgeleitete Faktor
wird erfindungsgemäß im Analysator 2 bestimmt, der in F i g. 1 in einer der verschiedenen
möglichen Ausführungen angedeutet ist.
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Aus dem Feuerraum 7 wird mittels einer passend angeordneten Abnahmevorrichtung
9 und dem Gebläse 16 die richtige durchschnittliche Probe der Verbrennungsprodukte
mit Überresten der nicht verbrannten festen Brennstoffteilchen angesaugt.
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Gleichzeitig wird mittels einer Rohrleitung 10 aus der Umgebung in
die Vorrichtung Luft gesaugt, deren Menge entweder manuell durch den Hahn
11
oder automatisch durch eine Rückkopplung aus der auf den Hahn
11 wirkenden Mischanlage 13 eingestellt werden kann. Die Verbrennungsprodukte
und die zusätzliche Luft fließen dann gleichlaufend durch einen Wärmeaustauscher
12, wodurch sie praktisch auf gleiche Temperaturen gelangen. Aus dem Wärmeaustauscher
12 kommen die Verbrennungsprodukte und die Luft getrennt in die Mischvorrichtung
13,
wo ihre Durchflußmengen dadurch auf einem konstanten Verhältnis gehalten
werden, daß die zusätzliche Luft in geeigneter Weise durch den Hahn 11 reguliert
wird. Ein Gemisch der Verbrennungsprodukte aus dem Hauptfeuerraum mit der zusätzlichen
Luft gelangt weiter in den Verbrennungsofen 14, der z. B. elektrisch oder
durch eine Gas-Heizanlage geheizt wird und wo alle brennbaren Überreste vollkommen
verbrannt werden. Die Verbrennungsprodukte aus dem Ofen 14
gehen durch einen
Entaschungszyklon 15, das Gebläse 16 und kehren in den Feuerraum 7
zurück. Die Asche aus dem Zyklon 15 wird über einen Wasserverschluß weggeleitet.
Das Gebläse 16 hält in diesem Kreise eine genügend hohe Gasgeschwindigkeit aufrecht,
z. B. 10 bis 20 m/sec, damit die mitgenommenen und noch nicht verbrannten Brennstoffteilchen
sich am Weg nicht absetzen und die Anlage nicht verstopfen können. Die gesamte Umlaufzeit
der Verbrennungsprodukte wird somit auf 1 bis 2 Sekunden reduziert, wodurch die
Verzögerung der Angaben des Sauerstoff Analysators 18 ganz wesentlich vermindert
wird. Aus der Rohrleitung vor dem Eingang in den Feuerraum 7
wird mittels
der Abzweigung 17 eine Probe der Abgase des Verbrennungsofens 14 abgeleitet
und in den Sauerstoff-Analysator 18 zur Bestimmung des Sauerstoffgehaltes
geführt. Da alle brennbaren Bestandteile des Brennstoffes zuerst im Hauptfeuerraum
7 und dann im Verbrennungsofen 14 restlos verbrannt werden, hängt die Angabe
des Sauerstoff-Analysators 18, der hinter dem Verbrennungsofen 14 angeordnet ist,
bloß vom Luftüberschuß ab und ist somit von dem Vollkommenheitsgrad der Verbrennung
im Hauptfeuerraum 7 gänzlich unabhängig.
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Zur Vereinfachung der Rechnung kann man deswegen den Fall einer vollkommenen
Verbrennung im Feuerraum 7 annehmen, wobei also die Verbrennungsprodukte keine brennbaren
Überreste enthalten. Bezeichnet man mit Lt den tatsächlichen Luftverbrauch des Feuerraumes
in Nm3 pro Zeiteinheit und mit L" den zur vollkommenen Verbrennung benötigten Luftbedarf
in Nm3 pro Zeiteinheit, nimmt man ferner an, daß Frischluft und Verbrennungsabgase
dasselbe Normalvolumen besitzen (was in der Praxis mit einer Genauigkeit von 2 bis
3 °/o zutrif), so ergibt sich der Sauerstoffgehalt 01 der Abgase
aus
dem Feuerraum wie folgt:
Vermischt man diese Abgase in der Mischvorrichtung 13 mit der gleichen Menge Frischluft,
so ergibt sich für das Mischgas ein Sauerstoffgehalt 0,
von
Da in dem angenommenen Fall sämtliche brennbaren Bestandteile bereits verbrannt
sind, gilt der
gleiche Ausdruck auch für den Sauerstoffgehalt 03
hinter dem Verbrennungsofen 14, also
Dieser Sauerstoffgehalt 03 wird vom Analysator 18 gemessen. Es ergibt sich
damit folgender Zusammenhang zwischen dem gesuchten Kehrwert « und dem Meßwert 03
des Analysators 18:
Mit diesem Wert
muß gemäß Gleichung (1) die dem Feuerraum zugeführte Luftmenge multipliziert werden,
um nach Berücksichtigung des konstanten Faktors K die gewünschte Brennstoff
Wärmeleistung Q
zu erhalten.
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F i g. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel für das die Multiplikation
von V und
durchführende Auswertungsglied 19. Dieses Glied besteht z. B. aus eineminduktiven
Fühler Z., dessen Induktivität zum Sauerstoffgehalt 03 verhältnisgleich ist, ferner
aus einer zur Einstellung des Nullwertes dienenden Hilfsinduktivität Z, und einer
großen Induktivität T mit Eisenkern und Mittelanzapfung. Mit Hilfe der regelbaren
Induktivität ZO wird das Auswertungsglied auf U3 = 0 eingestellt, falls der Zuschub
von Brennstoff in den Feuerraum aufhört (d. h. beim Wert
= 0).
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Das Ausgangssignal U3 des Auswertungsgliedes 19
gelangt über
das Stellglied 20, an dem die Art des Brennstoffes einzustellen und weitere Korrekturen
für besondere Bedingungen gemäß der Konstruktion des Feuerraumes vorzunehmen sind,
weiter an das Anzeige- bzw. Registriergerät 21, das unmittelbar in Einheiten
der zugeführten Wärmeleistung geeicht werden kann.
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Die Zeit, in der die Gase durch die einzelnen Glieder 1 bis 17 gemäß
dem Schema in F i g. 1 hindurchströmen, und die Verzögerungszeit der Angaben der
Sauerstoff-Analysatoren verschiedener Bauart, z. B. paramagnetischer, kann einen
Wert von einigen 10 Sekunden erreichen. Infolgedessen unterscheidet sich die Angabe
Ui des Durchflußmessers 1 zeitlich von der Angabe des Sauerstoff Analysators 18,
wobei diese gesamte Verzögerung praktisch konstant bleibt und von Parametern der
ganzen Wärmeanlage abhängig ist. Um den Einfluß dieser zeitlichen Verzögerung auszuschalten,
wird in der Vorrichtung ein Speicherelement 22 (z. B. auf dem Prinzip des Magnettonbandes
beruhend) verwendet, das zwischen dem Durchflußmesser 1 und dem Analysatorsystem
2 eingeschaltet ist.
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Das beschriebene Meßverfahren arbeitet genau bei Überdruck-Feuerräumen
sowie bei Feuerräumen, bei denen die notwendige Abdichtung aufrechterhalten wird.
Zur richtigen Funktion des erfindungsgemäßen Verfahrens genügt es, bloß einen Teil
des Feuerraumes bis zur Abnahmevorrichtung 9 abzudichten. Die einzelnen Wandler
der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung sowie das Auswertungsglied 19 können elektrisch,
hydraulisch oder pneumatisch arbeiten oder aus einer Kombination verschiedener Systeme
bestehen.
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Der Vorteil des erfindungsgemäßen Meßverfahrens besteht darin, daß
die ungenaue, mühselige und langwierige Messung des Brennstoffverbrauches und die
periodische Bestimmung des Heizwertes entfallen und durch einfache Ablesung an einem
unmittelbar in Einheiten der zugeführten Wärmeleistung geeichten Anzeigeinstrument
ersetzt werden. Dieses Meßinstrument kann mit einem Integrator ausgerüstet werden,
an dem die Gesamtmenge der dem Feuerraum in einer bestimmten Zeit zugeführten Wärme
abgelesen werden kann.
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Die dem Feuerraum zugeführte Wärmeleistung wird durch das erfindungsgemäße
Verfahren kontinuierlich mit einer Verzögerung von nur einigen 10 Sekunden und mit
einem Gesamtfehler von lediglich 3 bis 40/, erfaßt. Das erfindungsgemäße Meßverfahren
berücksichtigt also praktisch alle Abweichungen und Schwankungen der zugeführten
Wärmeleistung und kann deswegen zur Automatisierung des Verbrennungsprozesses verwendet
werden. Das Ausgangssignal der Meßvorrichtung, das der dem Feuerraum zugeführten
Wärmeleistung verhältnisgleich ist, kann außerdem automatisch mit der Nutzleistung
verglichen werden, die durch einen Leistungsmesser angezeigt wird. Der Wirkungsgrad
der Verbrennung und die Wirtschaftlichkeit der gesamten Energieanlage (z. B. des
Blockes Kessel-Turbine-Generator) oder eines Teils davon (z. B. des Kessels selbst)
können also kontinuierlich verfolgt werden. Weiterhin kann das resultierende Signal
zur automatischen Regelung der Anlage verwendet werden.